大學(xué)物理課件(徐行可主編)磁場對運(yùn)動電荷及電流的作用

1、1 當(dāng)一個科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，自然界的結(jié)構(gòu)有這么多不可思議的奧妙，他會有一個觸及靈魂的震動。而這個時候的感覺，我想是和最真誠的宗教信仰很接近的。 楊振寧楊振寧2 10.4 10.4 磁場對運(yùn)動電荷及電流的作用磁場對運(yùn)動電荷及電流的作用一一. . 洛侖茲力洛侖茲力BvqEqF 廣義洛侖茲力廣義洛侖茲力電場力電場力磁場力（洛侖茲力）磁場力（洛侖茲力）1.1.磁場對運(yùn)動電荷的作用磁場對運(yùn)動電荷的作用BvqF 特點(diǎn)：特點(diǎn)：不改變不改變 大小，只改變大小，只改變 方向方向. . 不對不對 做功做功. .vqv大?。捍笮。?sinqvBF 方向：方向：垂直于（垂直于（ ）平面）平面B,v :q :q Bv ) (

2、-Bv 方向方向方向方向F Bvq vBFq 3練習(xí)：練習(xí)：求求 相互作用洛侖茲力的大小和方向相互作用洛侖茲力的大小和方向21, qq2q 1q1 1vr2v2 21F 1B2111014sinrvqB 90sin12221BvqF21212104sinrvvqq 304rrvqB BvqF 2B12F2222024sinrvqB 90sin21112BvqF22212104sinrvvqq 2112FF 1q2q磁場磁場42. 2. 帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動EqF 勻速勻速直線直線運(yùn)動運(yùn)動0 F勻強(qiáng)電場勻強(qiáng)電場勻強(qiáng)磁場勻強(qiáng)磁場E/v0Ev 0 與與 夾夾 角角Ev 0

3、與與 夾夾 角角Bv 0B/v0Bv 0 BqvF0 勻速率圓周運(yùn)動勻速率圓周運(yùn)動qBmvR0 qBmT 2 sin0BqvF 等螺距螺旋線運(yùn)動等螺距螺旋線運(yùn)動qBmvqBmvR sin0 cos20vqBmTvh/ 勻變速勻變速直線運(yùn)動直線運(yùn)動類平拋類平拋類斜拋類斜拋F0v0vF 5a）質(zhì)譜儀）質(zhì)譜儀質(zhì)譜分析：質(zhì)譜分析：022qBmvRx EBxqBm20 譜線位置：同位素質(zhì)量譜線位置：同位素質(zhì)量譜線黑度：相對含量譜線黑度：相對含量應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例濾速器濾速器qvBqE BEv pq mFA1s2seFxB0s0Bv6b b ）磁聚焦）磁聚焦hBBv vvvvvv cossin/均勻磁場，均

4、勻磁場， 且且 很?。汉苄。?qBmvTvh/ 2 具有軸對稱性的磁場對電子束說來起著透鏡的作用 （德）蒲許（德）蒲許帶電粒子作不同半徑的螺旋線運(yùn)動，螺距帶電粒子作不同半徑的螺旋線運(yùn)動，螺距 h h 近似相等，近似相等，帶電粒子經(jīng)過距離帶電粒子經(jīng)過距離h h又重新匯集又重新匯集磁聚集。磁聚集。qBmvRT 22 7c c ）磁約束）磁約束例：例：受控?zé)岷司圩兪芸責(zé)岷司圩儯ù偶s束、慣性約束）（磁約束、慣性約束）慣性約束：慣性約束：應(yīng)用于激光核聚變。即依賴核燃料自身慣應(yīng)用于激光核聚變。即依賴核燃料自身慣性來約束，用高能脈沖激光激發(fā)核燃料（氘、氚丸），性來約束，用高能脈沖激光激發(fā)核燃料（氘、氚丸），

5、在其飛散前（在其飛散前（10101010s s）完成熱核反應(yīng)。）完成熱核反應(yīng)。vFBRo R,B橫向：橫向：在強(qiáng)磁場中可以將離子約束在小范圍。在強(qiáng)磁場中可以將離子約束在小范圍。脫離器壁。脫離器壁。qBmvR0 磁約束：磁約束：用磁場將高溫等離子體約束在一定空間區(qū)域。用磁場將高溫等離子體約束在一定空間區(qū)域。89準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)環(huán)形磁約束熱核聚變實驗裝置準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)環(huán)形磁約束熱核聚變實驗裝置中國環(huán)流器中國環(huán)流器1 1號（四川樂山號（四川樂山585585所）所）10d)d)回旋加速器回旋加速器 用于產(chǎn)生高能粒子的裝置，其結(jié)構(gòu)為金屬雙用于產(chǎn)生高能粒子的裝置，其結(jié)構(gòu)為金屬雙 D D 形盒，在其上加有磁場和交變的電場。將

6、一粒子置于形盒，在其上加有磁場和交變的電場。將一粒子置于雙雙 D D形盒的縫隙處，在電場的作用下，能量不斷增大，形盒的縫隙處，在電場的作用下，能量不斷增大，成為高能粒子后引出轟擊靶成為高能粒子后引出轟擊靶. . B11勞倫斯（勞倫斯（1901190119581958）：美國物理學(xué)家，因為發(fā)明和）：美國物理學(xué)家，因為發(fā)明和發(fā)展了回旋加速器，以及用它得到人工放射性元素獲發(fā)展了回旋加速器，以及用它得到人工放射性元素獲得得19391939年諾貝爾物理獎。年諾貝爾物理獎。右圖是真空室直徑為右圖是真空室直徑為10.2cm10.2cm的第一臺回旋加速器。的第一臺回旋加速器。12 目前世界上最大的回目前世界上

7、最大的回旋加速器在美國費(fèi)米加速實旋加速器在美國費(fèi)米加速實驗室，環(huán)形管道的半徑為驗室，環(huán)形管道的半徑為2公公里。產(chǎn)生的高能粒子能量為里。產(chǎn)生的高能粒子能量為5000億電子伏特。億電子伏特。 世界第二大回旋加速器世界第二大回旋加速器在歐洲加速中心，加速器分在歐洲加速中心，加速器分布在法國和瑞士兩國的邊界，布在法國和瑞士兩國的邊界，加速器在瑞士，儲能環(huán)在法加速器在瑞士，儲能環(huán)在法國。產(chǎn)生的高能粒子能量為國。產(chǎn)生的高能粒子能量為280億電子伏特。億電子伏特。13 歐洲核子研究中心歐洲核子研究中心( (CERN)CERN)座落在日內(nèi)瓦郊外的座落在日內(nèi)瓦郊外的加速器：大環(huán)是加速器：大環(huán)是直徑直徑8.6km

8、8.6km的強(qiáng)子對撞機(jī)，中環(huán)是質(zhì)的強(qiáng)子對撞機(jī)，中環(huán)是質(zhì)子同步加速器。子同步加速器。143 .3 .霍爾效應(yīng)（美國人霍爾霍爾效應(yīng)（美國人霍爾18791879年發(fā)現(xiàn)）年發(fā)現(xiàn)）（1 1）現(xiàn)象）現(xiàn)象U BIIIB導(dǎo)體中通電流導(dǎo)體中通電流 ，磁場，磁場 垂直于垂直于 ，在既垂直于，在既垂直于 ，又垂直于又垂直于 方向出現(xiàn)電勢差方向出現(xiàn)電勢差 . .dBIU lldS （2 2）用電子論解釋）用電子論解釋v載流子載流子 ，漂移速率，漂移速率eq BveBvqFm U 方向向上，形成方向向上，形成BmFq I vl_15lUqqEFe qnldIv,qvnldqvnSI BlvUdBIkdBIqnqnldI

9、Bl 1 霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)qnk1 （金屬導(dǎo)體（金屬導(dǎo)體 ）01 enk平衡條件：平衡條件：emFF lUqqvB BlvU BmFq I vl_eF由材料性質(zhì)決定由材料性質(zhì)決定16（3 3）應(yīng)用）應(yīng)用 測載流子密度測載流子密度dqUBIn 測載流子電性測載流子電性 半導(dǎo)體類型半導(dǎo)體類型 BI _ _ _ _ _ _ _ _BI _v型型 Pq q v型型 NB 測磁場測磁場 （霍爾元件）（霍爾元件） 磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電17磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電 把燃料加熱而產(chǎn)生的高溫（約把燃料加熱而產(chǎn)生的高溫（約3000K3000K）等離子體，以高速）等離子體，以高速 （約（約10001000 m/sm/s

10、）通過用耐高溫材料制成的導(dǎo)管，如在垂直于氣）通過用耐高溫材料制成的導(dǎo)管，如在垂直于氣體運(yùn)動的方向加上磁場，則氣流中的正、負(fù)離子由于受洛侖茲體運(yùn)動的方向加上磁場，則氣流中的正、負(fù)離子由于受洛侖茲力的作用，將分別向力的作用，將分別向兩個相反方向偏轉(zhuǎn)兩個相反方向偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在導(dǎo)管兩個電極，結(jié)果在導(dǎo)管兩個電極上產(chǎn)生電勢差。如果不斷提供高溫、高速的等離子氣體上產(chǎn)生電勢差。如果不斷提供高溫、高速的等離子氣體，便能便能連續(xù)產(chǎn)生電能連續(xù)產(chǎn)生電能. .電極電極電極電極導(dǎo)電氣體導(dǎo)電氣體+q+q-q-qB18二二 . . 安培定律安培定律2 . 2 . 載流導(dǎo)線所受磁場力載流導(dǎo)線所受磁場力 BlIFFLL dd3 .

11、 3 . 載流線圈所受磁力矩載流線圈所受磁力矩設(shè)均勻磁場，矩形線圈設(shè)均勻磁場，矩形線圈（ ）I.l.l.B 21 nBI1l2l 2dcba安培力安培力1 . 1 . 電流元受磁場力作用的規(guī)律電流元受磁場力作用的規(guī)律BlIF dd Fd IBlId19 0F sinsin2112lBIllFM sinsinmBPBIS BPMm cos )2sin(1111BIlBIlFF 2222 2inBIlsBIlFF )(cd )(ba2F2F Bn nBI1l2l 2dcba1F1F 20mPBPMm 方向方向21I對于任意形狀平面載流線圈對于任意形狀平面載流線圈 許多許多小矩形線圈的組合小矩形線圈

12、的組合 .所以平面載流線圈在均勻磁場中所以平面載流線圈在均勻磁場中 0F不平動不平動BPMm 轉(zhuǎn)動到轉(zhuǎn)動到 與與 同向：穩(wěn)定平衡同向：穩(wěn)定平衡若若 與與 反向：不穩(wěn)定平衡反向：不穩(wěn)定平衡 . .mPBmPB非均勻磁場中：非均勻磁場中： 0F 0M不但轉(zhuǎn)動，還要平動，不但轉(zhuǎn)動，還要平動，移向移向 較強(qiáng)的區(qū)域較強(qiáng)的區(qū)域 .B22ablIdIB例題：例題： 均勻磁場中彎曲導(dǎo)線所受磁場力均勻磁場中彎曲導(dǎo)線所受磁場力其所受安培力其所受安培力BlIF dd在導(dǎo)線上取電流元在導(dǎo)線上取電流元lId BlIBlIFF )d(ddL Ll dBLIF sin BILF 方向方向均勻磁場中，彎曲載流導(dǎo)線所受磁場力與

13、從起點(diǎn)到均勻磁場中，彎曲載流導(dǎo)線所受磁場力與從起點(diǎn)到終點(diǎn)間載有同樣電流的直導(dǎo)線所受的磁場力相同終點(diǎn)間載有同樣電流的直導(dǎo)線所受的磁場力相同. .23RBIF2 方向向右方向向右0 F2I受力受力0 F練習(xí)：練習(xí)：1I2I1.1.求電流在磁場中所受的力求電流在磁場中所受的力oRbaBI BII 方向？方向？242Iy1IoxR 2.2.求求 受受 磁場作用力磁場作用力. .1I2I由對稱性由對稱性0d yyFF sin210RIB 方向如圖方向如圖 BB dd22RIlI 取取 dlId2Fd sin2dd210IIF 方向如方向如圖圖Fd25 sindd FFFFxx21020210d2IIII

14、 沿沿 方向方向. .x B2I1IaoL A3.3.求求 段直電流受段直電流受 磁場作用力（磁場作用力（ ）AB1I ,L,a,I ,I21請自己完成！請自己完成！aLaIIF sinlnsin2210 一面斜向上運(yùn)動，一面轉(zhuǎn)動一面斜向上運(yùn)動，一面轉(zhuǎn)動abF2Iy1IoxR dlId2FdFd26例題：例題：已知：已知： （ 為常數(shù)）為常數(shù)）kr k.B.R 求：求：MB R解：解：在帶電圓盤上取半徑在帶電圓盤上取半徑 ，寬，寬 的圓環(huán)的圓環(huán) . .rrdBrrdo 2ddrIPm rrqd2d qId2d 2750451 ddRkrrkPPRmm 551RkPm BPMm 大小大小 ： BRkM551 方向向上方向向上Brrdo M28三三 . . 磁力的功磁力的功mIBSIBISMA d)cosd( d